基于單片機(jī)的溫度測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 文） 8 ? ~： P2 口的 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 端口。在訪(fǎng)問(wèn)片外存儲(chǔ)器時(shí)，它輸出高 8位地址，即 A8~A15。在不做總線(xiàn)時(shí)，也可以作為普通 I/O 口使用。在對(duì)閃 存編程和驗(yàn)證程序時(shí)，它輸入高 8 位地址。 ? ~： P3 口的 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 端口。這 8 個(gè)引腳都具有專(zhuān)門(mén)的第二功能，如表 22。 表 22 P3 口各位的第二功能 P3口的各位 第二功能的名稱(chēng)及作用 RXD（串行口輸入） TXD（串行口輸出） 0INT （外部中斷 0 輸入） 1INT （外部中斷 1 輸入） T0（定時(shí) /計(jì)數(shù)器 0 的外部輸入） T1（定時(shí) /計(jì)數(shù)器 1 的外部 輸入） WR（片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通控制輸出） RD（片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通控制輸出） 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) 時(shí)鐘是單片機(jī)的心臟，單片機(jī)各功能部件的運(yùn)行都是以時(shí)鐘頻率為基準(zhǔn)，有條不紊的一拍一拍地工作。因此，時(shí)鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度，時(shí)鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。常用的時(shí)鐘電路有兩種方式：一種是內(nèi)部時(shí)鐘方式，另一種為外部時(shí)鐘方式，如圖 所示。本設(shè)計(jì)用的是內(nèi)部時(shí)鐘方式。 AT89S51 單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，該高增益反向放大器的輸入端為芯片引腳 XTAL1，輸出端為引腳 XTAL2。這兩個(gè)引腳跨接石英晶體振蕩器和微調(diào)電容，就構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。 圖 時(shí)鐘電路 湖南工業(yè)大學(xué) 本 科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 上位機(jī)通信設(shè)計(jì) 以單片機(jī)為主體構(gòu)成的分布式數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，以附加電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定可靠而被廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制系統(tǒng)中。目前廣泛使用的單片機(jī)產(chǎn)品（如 Intel 的803 ATMEL 的 AT89S5 GMS97C51 等系列單片機(jī)）芯片中都集成了串行通信接口。使用這些串行通信接口和 RS485 接口驅(qū)動(dòng)芯片就可以構(gòu)成總線(xiàn)型通信網(wǎng)絡(luò)，從而將多臺(tái)單片機(jī)系統(tǒng)連接成一個(gè)分布式數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)。這種 RS485 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有接口簡(jiǎn)單、靈活性好、價(jià)格低、易于控制等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)中。目前，在很多的分布式數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中，為了克服單片機(jī)的功能不足，都引入了PC 機(jī)，并采用主從式結(jié)構(gòu)模式，即以 PC 機(jī)為主機(jī)，分布在現(xiàn)場(chǎng)的各個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)為從機(jī)而組成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。一般的 PC 機(jī)串行口為標(biāo)準(zhǔn) RS232 口，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定： RS232 采用負(fù)邏輯，即：邏輯 “1”為 5V～ 15V，邏輯 “0”為 +5V～ +15V；另外，驅(qū)動(dòng)器最大只允許有 2500pF 的電容負(fù)載，且通信距離受此電容限制。因此， 150pF/m 的通信電纜的最大通信距離為 15m，若每米電纜的電容量有所減少，則通信距離即可增長(zhǎng)。 RS232傳輸距離較短的另一原因是其屬于單端信號(hào)傳送，這種傳送存在共地噪聲且不能抑制共模干擾，因此， RS232 一般用于 20m以?xún)?nèi)的通信。 而對(duì)于大多數(shù)分布式控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其通信距離一般為幾十米到幾千米不等，顯然， RS232 接口不能滿(mǎn)足此類(lèi)系統(tǒng)的要求，目前廣泛采用的是 RS485 收發(fā)器。 RS485收發(fā)器采用的平衡發(fā)送和差分接收具有抑制共模 干擾的能力，加上收發(fā)器具有很高的靈敏度，能檢測(cè)低達(dá) 200mV 的電壓，因此，傳輸信號(hào)可在千米以外得到恢復(fù)。 該系統(tǒng)的擴(kuò)展通信接口電路如圖 所示。 C 1 +1C 1 3C 2 +4C 2 5T 1 I N11T 2 I N10R 1 O U T12R 2 O U T9G N D15V D D2V C C16T 1 O U T14T 2 O U T7R 1 I N13R 2 I N8V E E6U6M A X 2 3 2C 1 1 0 .1 u FC 1 0 0 .1 u FC90 .1 u FP 3 0P 3 1162738495J3D B 9 C80 .1 u FV C CRO1RE2DE3DI4G N D5A6B7V C C8U7M A X 4 8 5 C P AR 2 31 0 KQ89 0 1 3R 2 41 0 kV C CV C CR 2 51KR 2 61K 圖 通信電平轉(zhuǎn)換電路 湖南工業(yè)大學(xué) 本 科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 顯示接口電路 發(fā)光二極管 LED 是一種通電后能發(fā)光的半導(dǎo)體器件，其導(dǎo)電性質(zhì)與普通二極管類(lèi)似。 LED 數(shù)碼顯示器就是由發(fā)光二極管組合而成的 1 種新型顯示器件。數(shù)碼管顯示器成本低，配置靈活，與單片機(jī)接口簡(jiǎn)單，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用非常普遍。 LED 數(shù)碼顯示器有兩種連接方法 [2]：（ 1）共陽(yáng)極接法。把發(fā)光二極管的陽(yáng)極連在一 起構(gòu)成公共陽(yáng)極，使用時(shí)公共陽(yáng)極接 +5V，每個(gè)發(fā)光二極管的陰極通過(guò)電阻與輸入端相連。當(dāng)陰極端輸入低電平時(shí)，段發(fā)光二極管就導(dǎo)通點(diǎn)亮，而輸入高電平時(shí)則不點(diǎn)亮。（ 2）共陰極接法。把發(fā)光二極管的陰極連在一起構(gòu)成公共陰極，使用時(shí)公共陰極接地。每個(gè)發(fā)光二極管的陽(yáng)極通過(guò)電阻與輸入端相連。當(dāng)陽(yáng)極端輸入高電平時(shí)，段發(fā)光二極管就導(dǎo)通點(diǎn)亮，而輸入低電平時(shí)則不點(diǎn)亮。在本設(shè)計(jì)中所采用的是共陽(yáng)極 LED數(shù)碼顯示器。 本設(shè)計(jì)顯示接口電路由 4 個(gè)共陽(yáng)極 LED 數(shù)碼顯示管、 4 個(gè) 9012 三極管和限流電阻組成。在軟件上采用動(dòng)態(tài)輪流掃描方式，來(lái)控制數(shù)碼管 的顯示。單片機(jī)的輸出端口P0 口通過(guò)限流電阻與數(shù)碼管的陰極相連，用于控制數(shù)碼管的字形顯示。單片機(jī)的輸出引腳 、 、 和 分別通過(guò)限流電阻和三極管與數(shù)碼管的陽(yáng)極相連，用于向它們提供選通信號(hào)。當(dāng)端口輸出低電平時(shí)，相應(yīng)的三極管導(dǎo)通，使相應(yīng)的數(shù)碼管選通。當(dāng)端口輸出高電平時(shí)，相應(yīng)的三極管截止，使相應(yīng)的數(shù)碼管關(guān)閉。硬件接口電路如圖 所示。 abfcgdeD P Y1234567abcdefg8dpdpD S 1共陽(yáng)abfcgdeD P Y1234567abcdefg8dpdpD S 2共陽(yáng)abfcgdeD P Y1234567abcdefg8dpdpD S 3共陽(yáng)abfcgdeD P Y1234567abcdefg8dpdpD S 4共陽(yáng)P 0 0P 0 1P 0 2P 0 3P 0 4P 0 5P 0 6P 0 7Q29 0 1 2Q19 0 1 2Q39 0 1 2Q49 0 1 2P 2 0P 2 1P 2 2P 2 3V C C 圖 顯示接口電路 電源模塊設(shè)計(jì) 電源電路為整個(gè)控制電路提供電源，是電路設(shè)計(jì)不可缺少的一部分。電源電路的穩(wěn)定性決定著整個(gè)電路的可靠程度 。在本設(shè)計(jì)中，整個(gè)系統(tǒng)控制電路需要 +5V 的電源。把市電交流 380V 經(jīng)過(guò)變壓器降壓為交流 12V，在通過(guò)二極管整流、電容濾波、三端集成穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后輸出 +5V 直流電壓。電源電路圖如圖 所示。 湖南工業(yè)大學(xué) 本 科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 D3D1 D2D4D6P o w e r1 2J1 ~ 2 2 0 VD5C12 2 0 0 u FV in1GND2V o u t3U1C W 7 8 0 5C20 .1 u FC31 0 u FC42 2 0 u FR15 1 0T13 8 0 :1 2+ 5 V 圖 電源電路 外部復(fù)位電路設(shè)計(jì) AT89S51 單片機(jī)的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。復(fù)位引腳 RST 通過(guò)一個(gè)斯密特觸發(fā)器與復(fù)位電路相連，斯密特觸發(fā)器用來(lái)抑制噪聲，在每個(gè)機(jī)器周期的 S5P2，斯密特觸發(fā)器的輸出電平由復(fù)位電路采樣一次，然后才能得到內(nèi)部復(fù)位操作所需要的信號(hào)。 AT89S51 單片機(jī)的外部復(fù)位電 路有 [3]：（ 1）上電復(fù)位。上電復(fù)位電路是一種簡(jiǎn)單的復(fù)位電路，只要在 RST 復(fù)位引腳接一個(gè)電容到 VCC，接一個(gè)電阻到地就可以了。上電復(fù)位是指在給系統(tǒng)上電時(shí)，復(fù)位電路通過(guò)電容加到 RST 復(fù)位引腳一個(gè)短暫的高電平信號(hào)，這個(gè)復(fù)位信號(hào)隨著 VCC 對(duì)電容的充電過(guò)程而回落，所以 RST 引腳復(fù)位的高電平維持時(shí)間取決于電容的充電時(shí)間。為了保證系統(tǒng)安全可靠的復(fù)位， RST 引腳的高電平信號(hào)必須維持足夠長(zhǎng)的時(shí)間。（ 2）按鍵電平復(fù)位。在上電復(fù)位的基礎(chǔ)上，在復(fù)位電容上并接一個(gè)串電阻的按鍵即可，當(dāng)按鍵按下時(shí) RST 引腳高電平，單片機(jī)復(fù)位。復(fù)位如圖 所示。為了 操作時(shí) 調(diào)試方便，本設(shè)計(jì) 中 采用 按鍵復(fù)位電路。 圖 復(fù)位電路 湖南工業(yè)大學(xué) 本 科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 溫度檢測(cè)電路是本次設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，是整個(gè)單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不可缺少的一部分。本系統(tǒng)要求對(duì)加熱爐內(nèi)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與檢測(cè)，在充分保證安全的情況下對(duì)待加工器件進(jìn)行處理。 據(jù)要求，本系統(tǒng)的溫度檢測(cè)電路主要由溫度傳感器、運(yùn)算放大器、及 A/D 轉(zhuǎn)換器組成。經(jīng)固定周期 T 對(duì)加熱爐內(nèi)溫度進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)加熱功能，并使系統(tǒng)安全穩(wěn)定。 熱電偶作為一種主要的測(cè)溫元件，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、使用方便、測(cè)溫范圍寬、測(cè) 溫精度高等特點(diǎn)。但是將熱電偶應(yīng)用在基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域時(shí)，卻存在著以下幾方面的問(wèn)題 [4]。 ① 非線(xiàn)性：熱電偶輸出熱電勢(shì)與溫度之間的關(guān)系為非線(xiàn)性關(guān)系，因此在應(yīng)用時(shí)必須進(jìn)行線(xiàn)性化處理。 ② 冷端補(bǔ)償：熱電偶輸出的熱電勢(shì)為冷端保持為 0℃ 時(shí)與測(cè)量端的電勢(shì)差值，而在實(shí)際應(yīng)用中冷端的溫度是隨著環(huán)境溫度而變化的 ,故需進(jìn)行冷端補(bǔ)償。 ③ 數(shù)字化輸出：與嵌入式系統(tǒng)接口必然要采用數(shù)字化輸出及數(shù)字化接口，而作為模擬小信號(hào)測(cè)溫元件的熱電偶顯然無(wú)法直接滿(mǎn)足這個(gè)要求。因此，若將熱電偶應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)時(shí)，須進(jìn)行復(fù)雜的信號(hào)放大、 A/D 轉(zhuǎn) 換、查表線(xiàn)性化、溫度補(bǔ)償及數(shù)字化輸出接口等軟硬件設(shè)計(jì)。如果能將上述的功能集成到一個(gè)集成電路芯片中，即采用單芯片來(lái)完成信號(hào)放大、冷端補(bǔ)償、線(xiàn)性化及數(shù)字化輸出功能，則將大大簡(jiǎn)化熱電偶在嵌入式領(lǐng)域的應(yīng)用設(shè)計(jì)。 Maxim 公司新近推出的 MAX6675 即是一個(gè)集成了熱電偶放大器、冷端補(bǔ)償、 A/D轉(zhuǎn)換器及 SPI 串口的熱電偶放大器與數(shù)字轉(zhuǎn)換器。 1. 性能特點(diǎn) MAX6675 的主要特性如下： ① 簡(jiǎn)單的 SPI 串行口溫度值輸出； ② 0℃ ～ 1024℃ 的測(cè)溫范圍； ③ 12 位 ℃ 的分辨率； ④ 片內(nèi)冷端補(bǔ)償 ； ⑤ 高阻抗差動(dòng)輸入 ； ⑥ 熱電偶斷線(xiàn)檢測(cè) ； ⑦ 單一 +5V 的電源電壓； ⑧ 低功耗特性 ； ⑨ 工作溫度范圍 20℃ ～ 85℃ ； ⑩ 2020V 的 ESD 保護(hù)。 該器件采用 8 引腳 SO 貼片封裝。引腳排列如圖 所示，引腳功能 見(jiàn) 表 23。 湖南工業(yè)大學(xué) 本 科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 圖 引腳排列 表 23 MAX6675 引腳功能 引腳 名稱(chēng) 功 能 1 GND 接地端 2 T K 型熱電偶負(fù)極 3 T+ K 型熱電偶正極 4 VCC 正電源端 5 SCK 串行時(shí)鐘輸入 6 CS 片選段，為低、啟動(dòng)串行接口 7 SO 串行數(shù)據(jù)輸出 8 NC 空引腳 2. 工作原理 K 型熱電偶通常由感溫元件、安裝固定裝置和接線(xiàn)盒等主要部件組成。 K 型熱電偶的測(cè)溫原理是利用轉(zhuǎn)換元件的參數(shù)隨溫度變化的特性，將溫度和與溫度有關(guān)的參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電量變化輸出的裝置。兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成的閉合回路就構(gòu)成了熱電偶 [5]，熱電偶兩端為兩個(gè)熱電極，溫度高的接點(diǎn)為熱端、測(cè)量端或自由端；溫度低的接點(diǎn)為冷端、參考端或自由端。測(cè)量時(shí)，將工作端置于被測(cè)溫度場(chǎng)中，自由端恒定在某 一溫度。熱電偶是基于熱電效應(yīng)工作的，熱電效應(yīng)產(chǎn)生的熱電勢(shì)是由接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)兩部分組成的。 MAX6675 是一復(fù)雜的單片熱電偶數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 所示。主要包括：低噪聲電壓放大器 A電壓跟隨器 A冷端溫度補(bǔ)償二極管、基準(zhǔn)電壓源、12 位 AD 轉(zhuǎn)換器、 SPI 串行接口、模擬開(kāi)關(guān)及數(shù)字控制器。 其工作原理如下： K 型熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)，經(jīng)過(guò)低噪聲電壓放大器 A1 和電壓跟隨器 A2 放大、緩沖后，得到熱電勢(shì)信號(hào) U1，再經(jīng)過(guò) S4 送至 ADC。對(duì)于 K 型熱電偶，電壓變化率為 (41μV/℃ )，電壓可由如下公式來(lái)近似熱 電偶的特性。 U1=(41μV/℃ )(TT0) 上式中， U1 為熱電偶輸出電壓（ mV）， T 是測(cè)量點(diǎn)溫度； T0 是周?chē)鷾囟取? 在將溫度電壓值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的溫度值之前，對(duì)熱電偶的冷端溫度進(jìn)行補(bǔ)償，冷端湖南工業(yè)大學(xué) 本 科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 溫度即是